煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井注氣工藝研究

龔才喜 梁海波 古 冉

（1.中國石化華北分公司，河南鄭州 450006；2.西南石油大學，四川成都 610500）

煤層與油、氣儲集層不同，煤層極易垮塌、破碎，且煤儲集層很易被污染。近年來，在煤層氣的開采中多采用欠平衡技術，而在欠平衡鉆井過程中，如果井底壓力控制不當，會造成過壓鉆井，甚至引起井漏或井噴等井下復雜事故，嚴重影響整體勘探開發效果和鉆井效果［1］。針對煤層的特殊性，現多采用充氣欠平衡技術，主要的充氣方式有：常規鉆桿注氣法、寄生管注氣法、同心管注氣法、連續油管注氣法4種［2］。國內高陡構造煤層的煤層氣資源豐富、分布廣泛，且這類煤儲層大都傾角較大、滲透率較高，適合采用U 型井進行開采，U 型井充分結合了直井和定向井的技術優勢，利用流體勢能原理對煤儲層進行排水降壓采氣［3］。其采用的注氣方式為連續油管注氣法：空氣由直井油管注入，與水平段環空返出的液相在直井造穴處進行混合，由于注氣油管直徑較小，壓縮空氣能在短時間內進入環空，保證氣體注入的連續性，并改善了氣液兩相流的均勻性，使得欠平衡鉆井過程中的井底壓力更容易控制［4］。

當注氣量超過某一數值時，井口環空就會出現不合理的流型，不僅使得攜巖效果達不到要求，并且也無法保證井壁穩定，所以進行充氣欠平衡鉆井時，如何精確控制流體流型十分關鍵。而影響充氣控壓鉆井氣液兩相流流型分布的主要因素有：流體的物理性質和氣液比、地面回壓、流道的幾何形狀等［2，5］。應用計算流體力學軟件FLUENT，針對不同的注氣壓力、注氣量，以及井口排量的情況，對井下造穴處的情況進行數值模擬，分析不同參數對洞穴壓降以及環空含氣量的影響規律。對煤層氣開發過程的優選、安全鉆井具有較重要的意義。

1 基本假設

由于煤層氣欠平衡鉆井多注入清水、空氣，為了便于研究和計算，對環空內多相流作如下基本假設［6-7］。

（1）環空內僅有氣、液兩相流，將煤塵、巖屑、清水視作液相；（2）流體流動是沿井眼軸線的非定常流動；（3）流體處于熱平衡，無熱交換；（4）氣液兩相間無水化作用；（5）液相為連續相，氣相為離散相；（6）不考慮模型周圍的地層壓力。

氣液兩相流在環空管內的流型主要考慮：泡狀流、段塞流、攪動流、環狀流4 類［8］。

2 井筒多相流的基本控制方程

連續方程

動量方程

式中，下標i 為l（液相）或g（氣相）；t 為時間； α 為各相的體積分數；u 為流動速度矢量；u、v、w 分別為流體在x、y、z 方向上的速度分量；gx、gy、gz分別為x、y、z方向的重力加速度；p 為相壓力標量； ρ 為流體密度； Fi為總相間力，由曳力和垂直于流動方向的側向力組成。其中側向力包括側升力、壁面黏性力和湍流耗散力。

3 模型的建立

實驗模擬按照圖1 中的參數建立模型，為簡化模型、減少計算量，不考慮注氣井洞穴以上井段，對注氣井間的環空井段、直井段的長度進行了5 ∶1 的縮放，并假定注氣油管插入洞穴為1 m 長。

選擇非結構Tgrid（三角形）網格對模型進行劃分，為提高計算精度，對洞穴區域進行了網格加密，生成網格數為619 263。圖1 為模型拓撲和洞穴處網格的局部放大圖。

圖1 模型拓撲及洞穴網格局部放大

4 環空注氣工藝參數優化

U 型井段計算參數如下：水平井垂深750 m（pf=6.205 MPa），水平井與直井水平間距100 m，井徑152.4 mm，鉆柱外徑89 mm，注氣油管外徑76.2 mm，注入氣體為空氣，標準狀態下空氣密度ρg為1.205 kg/m3，井底高壓下取空氣密度ρg′為74.4 kg/m3，動力黏度μ=18.25 μPa·s，比熱容比1.4，清水密度ρl為1 g/cm3，重力加速度9.8 m/s2；壁面粗糙度0.046 78 mm，鉆柱旋轉轉速為60 r/min，不考慮鉆柱偏心，井口回壓為0.7 MPa。

湍流模型選用歐拉模型、標準k-ε 湍流模型；壓力、動量、體積參量采用二階迎風式；壁面采用不可滲透、無滑移邊界，選取標準壁面函數；壓力和速度解耦采用SIMPLEC［9］。

4.1 注氣壓力

圖2為不同注氣壓力條件下洞穴壓降和注氣量、排量之間的關系曲線。可見，當注氣壓力一定，洞穴壓降隨排量增大遞減；注氣量越大，洞穴壓降越大；當注氣壓力越接近煤儲集層壓力（pf=6.205 MPa）時，注氣效果好，洞穴壓降隨排量變化穩定，隨注氣量變化較小。

根據圖2 曲線和煤層氣欠平衡鉆井工程要求（-0.5 MPa ≤pf≤-0.2MPa）［6］可得出，注氣壓力在6.2～6.5MPa 皆符合，而能穩定在6.2 MPa 最佳。

圖2 不同注氣壓力條件下洞穴壓降與注氣量、排量的關系

4.2 注氣量

用最佳注氣壓力（p=6.2 MPa）進行模擬計算，圖3 為排量不同時洞穴壓降和注氣量的關系曲線。充氣鉆井時，井底壓力對注氣量大小較敏感［10］。從圖3 可見，在一定注氣壓力下，排量一定時，洞穴壓降隨注氣量的增大總體上是遞增的，但在注氣量24 m3/min 時略有反常，且24 m3/min 和22 m3/min 的結果差距并不大；不同排量下洞穴壓降隨注氣量的變化規律基本相似，即在同一注氣量條件下，隨著排量的增大，洞穴壓降減小。結合煤層氣欠平衡鉆井工程要求，在20～26 m3/min 的注氣量和所給出范圍內的排量皆可滿足要求。

圖3 不同排量下洞穴壓降與注氣量的關系

4.3 排量

圖4 是在最佳注氣壓力（p=6.2 MPa）、不同注氣量條件下洞穴壓降與排量的關系曲線。從圖中可以看出：當注氣量一定時，洞穴壓降隨著排量的增大單調遞減；在同一排量條件下，隨著注氣量的增大，洞穴壓降增大。

圖4 不同注氣量下洞穴壓降與排量的關系

結合煤層氣欠平衡鉆井工程要求及環空返速最低排量要求，排量控制在13.5～15 L/min范圍內較佳。

5 結論

（1）當注氣壓力一定時，洞穴壓降隨排量增大單調遞增變化。當注氣量一定，注氣壓力越接近煤儲集層壓力時，注氣效果越好，洞穴壓降隨排量變化越穩定；

（2）在最佳注氣壓力條件下，當排量一定時，洞穴壓降隨注氣量的增大單調遞減；當注氣量一定時，洞穴壓降隨著排量的增大而增大；

（3）在滿足欠平衡鉆井工程要求的條件下，注氣壓力穩定在6.2 MPa 時最穩定；在此注氣壓力下，注氣量處于20～26 m3/min 的范圍內皆可，取22 m3/min 及24 m3/min 更佳；在此注氣壓力下，排量處于13.5～15 L/min 范圍內即可，越接近15 L/min，越符合工程要求。

（4）為保證井筒穩定，滿足欠平衡鉆井工程要求，各注氣工藝參數需取在優化區間的范圍內。

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